La nave espacial Orion se dirige a la Luna con la ayuda del cohete SLS

El programa Artemis de la NASA persigue presencia a largo plazo en la Luna


El género humano lleva casi 50 años sin poner un pie en la Luna, desde 1972. Pero, si todo va según lo previsto, volveremos dentro de poco. La NASA está desarrollando actualmente el programa Artemis, en honor a la diosa griega de la caza y la Luna. La misión no tripulada Artemis I probará un nuevo cohete, el Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS). El SLS es el cohete más potente jamás construido, con capacidad para generar una propulsión de 39,1 meganewtons.

Pero el SLS solo es una parte de la tecnología de Artemis. Sobre el SLS, a más de 30 pisos de altura, viajará Orion, con capacidad para transportar hasta seis personas a la Luna y más allá. Se ha diseñado para proteger a la tripulación de las condiciones extremas del espacio profundo. El SLS pondrá a Orion en órbita lunar.

Artemis I representa un paso importante en la exploración de la Luna y la futura construcción de un campamento base lunar. Artemis II repetirá el viaje un año después, pero con astronautas a bordo de la nave Orion. Y Artemis III llevará a la primera mujer y la primera persona de piel oscura a la superficie lunar en 2024. Las futuras misiones de Artemis construirán infraestructuras en la Luna, que permitirán la exploración, la industria y la innovación, así como realizar una demostración de las capacidades que podrían llevarnos a Marte.

Aunque la diosa griega Artemisa nació antes que su hermano mellizo Apolo, el programa Artemis de la NASA es más inteligente e innovador que el programa Apolo. Los equipos informáticos a bordo del Apolo 11, que transportó a los primeros seres humanos a la Luna en 1969, contaban con 4 kilobytes de RAM. Los teléfonos iPhone de última generación tienen un millón más, y los equipos informáticos utilizados para desarrollar y ejecutar el software de Artemis cuentan con mucha más RAM. Y no se trata solo de la memoria. El equipo de ingeniería dispone de nuevos conjuntos de herramientas que ayudan a trabajar de manera más inteligente, lo que agiliza el proceso de diseño.

El SLS de la NASA tiene aproximadamente 98 metros de altura. La etapa central mide alrededor de 64,5 metros. La nave espacial Orion se encuentra en la parte superior del sistema y tiene unos 3 metros de altura, casi 5 metros de diámetro y cerca de 9 metros cúbicos de volumen habitable.

Ilustración artística del SLS de la NASA. (Imagen cortesía de Lockheed Martin Corporation)

Bajo el capó

Después de graduarse en la universidad, Hector Hernandez se incorporó a Lockheed Martin para trabajar en Orion. “Deseamos establecer una presencia a largo plazo en la Luna con el fin de prepararnos para un mayor desafío: ir a Marte. Ese es nuestro interés, en realidad”.

Hernandez es el analista principal del sistema de energía de Orion. Su equipo utiliza software para modelar todo el hardware, y así anticipar y evitar cualquier error. “Nos aseguramos de que todos los componentes conectados al sistema, y el propio sistema, puedan funcionar bien juntos”, afirma.

“Deseamos establecer una presencia a largo plazo en la Luna con el fin de prepararnos para el mayor desafío: ir a Marte. Ese es nuestro interés, en realidad”.

Hector Hernandez, analista principal del sistema de energía de Orion de la NASA

El sistema de energía incluye baterías, paneles solares, equipos informáticos, cables y conexiones (nodos). El éxito de la misión y la supervivencia de la tripulación dependen de la calidad de la energía, de modo que la tensión que reciben todos los componentes debe tener el rango adecuado, y se deben evitar las fluctuaciones significativas de tensión. Los modelos ayudan a decidir los tamaños y las conexiones entre los diversos elementos. También ayudan a supervisar una misión y tomar decisiones críticas. Si algo sale mal en la nave espacial real, se puede simular el fallo, ver cómo reacciona el modelo y sugerir a los operadores de la misión si deben abortarla o adoptar otras medidas.

Hernandez también ha empleado Simulink® para desarrollar un modelo denominado Capacidad de energía de la nave espacial (SPoC). Creó muchos de los bloques de ese modelo con Simscape Electrical™, que modela la física de sistemas eléctricos y cuenta con bloques para baterías, celdas solares, y mucho más. Antiguamente, estas tareas se realizaban con hojas de cálculo de Microsoft® Excel®. Hernandez las sigue utilizando para obtener resultados rápidos, pero no son útiles para modelar sistemas multinodo con muchas uniones de cables. “Para solucionar problemas más complejos, utilizamos SPoC”, explica.

La nave espacial Orion dentro de una instalación de gran tamaño.

La nave espacial Orion en el edificio Operations and Checkout Building del Centro espacial Kennedy de la NASA. (Imagen cortesía de Lockheed Martin Corporation)

Y agrega: “Soy una persona visual”. Mover los componentes de un lado a otro permite tener una idea intuitiva de cómo está conectado todo. Con Simulink, no hay necesidad de gestionar una gran cantidad de código elemental. Los modelos son más fáciles de comprender, y permite que los desarrolladores puedan ocultar propiedad intelectual en los bloques. “Permite ocultar datos complicados bajo el capó”, dice Hernandez.

Hasta el momento, el SPoC ha superado todas las evaluaciones de rendimiento. Su comportamiento coincide con el de la nave Orion física. Y cada vez que el equipo recibe datos de pruebas reales de Orion, los utilizan para refinar el modelo. “El próximo paso es asegurarme de que la misión Artemis I se complete con éxito”, afirma. “Y luego, comenzar con Artemis II”.

La gestión de fallos es una misión de nivel crítico para la NASA

Muchas cosas pueden salir mal de camino a la Luna. Durante el diseño de SLS, los equipos de ingeniería y ciencias de la NASA crearon un modelo de software para simular los algoritmos de misión de nivel crítico, que supervisan la nave espacial en busca de posibles fallos que podrían ser peligrosos para los equipos informáticos y la tripulación a bordo.

Para el éxito de la misión, resulta fundamental una verificación fiable de los algoritmos de gestión de misión y fallos (M&FM), según un artículo publicado por integrantes del equipo de SLS. El equipo describió el proceso de diseño en el artículo “Modeling in the Stateflow Environment to Support Launch Vehicle Verification Testing for Mission and Fault Management Algorithms in the NASA Space Launch System” (Modelado en el entorno de Stateflow para respaldar pruebas de verificación del vehículo de lanzamiento para algoritmos de gestión de misión y fallos en el SLS).

El artículo afirma que “evitar errores en los sistemas de gestión de misión (incluidos los fallos) es el objetivo fundamental del equipo de pruebas de M&FM que desarrolla algoritmos de sistemas de seguridad de nivel crítico para la implementación de FSW (software de vuelo) para el programa SLS”.

Muchas cosas pueden fallar dentro de un cohete, particularmente, errores que pueden ser fatales para el vehículo o las personas que transporta. La tarea fundamental del equipo de M&FM de Artemis consiste en desarrollar algoritmos de software para el cohete que puedan detectar anomalías. Luego, el equipo de control de tierra puede decidir si detener la secuencia de lanzamiento o abortar la misión por completo.

En lugar de desarrollar y probar los algoritmos en el cohete real, el equipo de M&FM creó una simulación en software del SLS denominada Modelo de análisis de estado (SAM). Una vez que el rendimiento de los algoritmos de supervisión de fallos en este cohete virtual es satisfactorio, el equipo de desarrollo de software los codifica en un lenguaje que se puede cargar en el SLS.

El equipo modela cada uno de los componentes de aviónica. Es un conglomerado de componentes, que incluye la unidad de distribución y control de energía (PDCU), una caja que contiene interruptores eléctricos para otras unidades, como la unidad de navegación inercial redundante; la unidad de energía hidráulica (HPU), y los controladores de los actuadores del TVC (TAC). Los TAC reciben energía eléctrica de la PDCU y, a su vez, controlan hidráulicamente los actuadores del sistema de control de vectores de propulsión (TVC), que dirigen los motores. Otras unidades controlan las bombas y válvulas de los motores.

En teoría, el equipo de M&FM podría crear un modelo físico detallado de todo el conjunto, pero se ejecutaría muy lentamente. En su lugar, utilizan un modelo con cuadros conectados por líneas, desarrollado en Stateflow®. El modelo se denomina máquina de estados, y cada cuadro representa un posible estado de algún aspecto del sistema. Un cuadro puede representar una válvula abierta y otro, una válvula cerrada. Las líneas representan transiciones entre estados, desencadenadas por eventos específicos. Dentro de cada cuadro, se puede observar código de MATLAB® o un modelo gráfico de Simulink que describe el estado y pasa esa información a otros componentes.

El cohete del SLS de camino a las nubes.

El SLS es un cohete avanzado de carga pesada que ofrece nuevas posibilidades para la ciencia y la exploración humana. (Imagen cortesía de NASA/MSFC)

El diagrama de Stateflow describe la lógica del sistema. Tanto los modelos de Stateflow como los de Simulink contienen cuadros conectados por líneas, pero cada modelo actúa en diferentes niveles. "Por ejemplo, si una persona camina por una acera y llega a la esquina, Stateflow decide si doblar a la derecha o la izquierda, y Simulink ayuda a mantener el equilibrio”, explica Ossi Saarela, gerente del sector espacial en MathWorks".

El equipo también cuenta con un laboratorio de integración de sistemas (SIL), con un modelo real basado en la física. Según el artículo de la NASA, “el SIL es un banco de pruebas de alta fidelidad, que integra el software de vuelo real con una mezcla de hardware y entornos del SLS reales y simulados”.

A decir verdad, el equipo de M&FM necesita ambos tipos de modelos. El SIL tiene las mismas cajas de software y aviónica que el cohete, e incluso el mismo cableado con la misma longitud, por lo que tiene una fidelidad mucho mayor. Comparando ambos modelos, se pueden utilizar los resultados del SIL para mejorar el SAM.

El equipo de M&FM tuvo que crear los scripts adecuados para optimizar la velocidad del SAM. También tuvieron que decidir qué casos de pruebas utilizar y cómo determinar si el sistema las superaba. Ahora pueden realizar iteraciones rápidamente en SAM, que actúa como una “bola de cristal” prediciendo el comportamiento del SIL. El artículo afirma que el SAM tarda aproximadamente 120 segundos en realizar la ejecución de un posible perfil de lanzamiento de una misión en un equipo informático estándar. Después de muchas pruebas y superar varios hitos, descubrieron que, en la mayoría de los casos, los resultados del SAM coinciden estrechamente con los del SIL.

Otro acontecimiento épico fue la prueba de fuego en caliente, en la que la NASA fija el cohete a la base y enciende los motores.

“Cuando los motores se encienden, se pueden sentir a kilómetros de distancia”, dice Saarela. “La cantidad de energía que se libera es tremenda, y es esencial poder predecir el comportamiento exacto de cada componente con antelación”.

Todo lo aprendido se puede aplicar en el futuro, ya que la NASA tiene muchos programas interesantes en vista.

“Nuevos diseños, como el Sistema de aterrizaje humano de Artemis, o incluso el cohete Mars Ascent Vehicle, seguramente se beneficiarán de nuevos procesos y herramientas que se utilizan en el SLS”, afirma Saarela. “La ingeniería aeroespacial está en un periodo de rápida evolución”.

Piloto automático para una nave espacial

La NASA utiliza modelos de software no solo para probar algoritmos y simular hardware, sino también para generar código real para la cápsula de la tripulación. El sistema de orientación, navegación y control (GNC) es como un piloto automático para una nave espacial, que integra datos de sensores y planifica su trayectoria. Antes, el equipo de diseño de GNC solía redactar los requisitos y el equipo de ingeniería desarrollaba el código final. El nuevo método consiste en utilizar el diseño basado en modelos. En lugar de escribir especificaciones estáticas, el equipo de diseño crea un modelo ejecutable, para probarlo y realizar iteraciones rápidamente. Luego, el software traduce automáticamente los algoritmos del modelo a código final.

El equipo de diseño del sistema GNC de Orion utiliza Simulink. Conectan el modelo de Simulink a Trick de la NASA, una simulación en software de alta fidelidad de la nave espacial y la física que define su movimiento a través del espacio. Una vez que el modelo resultante es satisfactorio, Embedded Coder® genera el código de control en C++, que también se puede conectar a Trick. MATLAB comprueba el modelo de Simulink y el código C++ para asegurarse de que ambos realizan exactamente lo mismo. Luego, el código C++ se carga en la nave espacial.

El diseño basado en modelos ahorra tiempo, porque no es necesario escribir y reescribir manualmente el código mientras se desarrollan los algoritmos. Además, reduce los errores de codificación elementales y ayuda a inspeccionar los algoritmos más fácilmente. En la actualidad, los equipos informáticos son sumamente inteligentes para lanzar cohetes y desarrollar el código que los lanza.

Con el diseño basado en modelos, en lugar de escribir especificaciones estáticas, el equipo de diseño crea un modelo ejecutable, y luego el software traduce automáticamente los algoritmos del modelo a código final.

La nave espacial Orion dentro de una instalación de gran tamaño, con la bandera de los Estados Unidos en una pared y una pancarta en otra en la que se lee “A la Luna y más allá”.

Nave espacial Orion. (Imagen cortesía de Lockheed Martin Corporation)

Según la NASA, “con las misiones Artemis, la NASA pondrá en la Luna a la primera mujer y la primera persona de piel oscura, y utilizará tecnologías innovadoras para explorar la superficie lunar más que nunca. Colaboraremos con partners comerciales e internacionales, y estableceremos la primera presencia a largo plazo en la Luna. Y con lo que aprendamos de la experiencia en la Luna, daremos el siguiente gran salto: enviar astronautas a Marte”.

¡A la Luna y más allá!


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